Дорожная климатология

Рис. 6.9. Мобильный генератор мелкодисперсных частиц льда на жидком азоте

7. АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ

7.1. Общие сведения

Осадками называют влагу, которая в жидком или твердом состоянии выпадает из облаков в виде дождя, снега, града, крупы, мороси и др.) или образуется на поверхности земли и предметах в результате конденсации водяного пара, содержащегося в воздухе, в виде росы, изморози, инея, гололеда.

По характеру выпадения осадки делятся на обложные, состоящие из капель или снежинок средней величины, выпадающие продолжительно и на большой площади; ливневые, состоящие из крупных капель дождя или хлопьев снега, выпадающие непродолжительно, начинающиеся и прекращающиеся внезапно, с изменчивой интенсивностью; моросящие, состоящие из мельчайших капель, снежинок или ледяных игл, интенсивность выпадения которых исключительно мала.

Роса и иней не выпадают из воздуха, а образуются непосредственно на охлажденных поверхностях. На шероховатой поверхности охлаждение происходит довольно интенсивно. В результате на дорожном покрытии упругость водяных паров оказывается меньше, чем в глубине дорожной одежды. Водяные пары из дорожной конструкции устремляются к поверхности, усиливая возможности ее увлажнения и образования скользкости. Терморегулирование дорожных одежд – одна из проблем повышения их эксплуатационных качеств.

Принципиальная схема образования осадков приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Образование осадков

7.2.Виды атмосферных осадков

Взависимости от фазового состояния атмосферные осадки подразделяются на твердые, жидкие и смешанные. К твердым осадкам относят снег, град, крупу, гололедицу, иней, изморозь;

кжидким – дождь, росу. Осадки характеризуются размером капель, количеством, интенсивностью, началом и окончанием выпадения. Размер капель зависит от особенностей облаков, из которых образуются осадки, и температуры воздуха в тропосфере. Характеристика осадков приведена в табл. 7.1.

Под количеством осадков подразумевается высота в миллиметрах слоя воды, который мог бы образоваться на горизонтальной поверхности после выпадения осадков, если бы не было их проникновения в почву, поверхностного стока и испарения. Количество осадков для определенного периода времени вычисляется с точностью до 0,1 мм.

Интенсивность осадков – это их количество, выпадающее в единицу времени (обычно за 10 минут). Выражается в мм/мин с точностью до 0,01 мм/мин.

Различные виды осадков характеризуются особенностями частиц, которые входят в их состав. К твердым осадкам относятся снег, град, ледяной дождь и др.

Снег – кристаллики, образующиеся при конденсации водяного пара при температурах

значительно ниже 0 С, которые при определенных условиях объединяются и падают на землю в виде снежинок. Плотность свежевыпавшего снега колеблется в широких пределах. В некоторых случаях снег рассматривается как рекреационный фактор; если таяние снега предшествует

ливневым дождям или происходит одновременно с ними, он участвует в формировании паводков. Во многих регионах мира снег является источником воды, использующейся для ирригации, выработки электроэнергии, водоснабжения городов, и поэтому играет важную роль в хозяйственной жизни государства.

Для снега характерно наличие последовательного ряда форм от сублимационных кристаллов до бесформенных комочков снежной крупы, когда внутренние кристаллы погребены под массой намерзших капель переохлажденного облака. Кроме того, есть целый ряд форм, возникших от искажения снежинок при таянии и последующем замерзании, начиная от почти неизменного кристалла и кончая шариком ледяного дождя. Все формы снежинок могут выпадать одиночно или соединенными в хлопья. Чистокристаллические снежинки часто имеют вид неправильных сростков из правильных кристаллов. Ледяные частицы могут выпадать из облаков, из тумана и при ясном небе, и при этом имеют различную величину – от почти неразличимых невооруженным глазом зародышей до огромных хлопьев снега, превышающих 10 см в поперечнике.

Град – частички плотного льда, прозрачные или матово-белого цвета, выпадающие из ливневых облаков. Отдельная частичка града называется градиной. Размер градин бывает от нескольких миллиметров до десятков сантиметров в поперечнике. Мелкий град, наибольший размер частиц которого не превышает 5 мм, называется ледяной крупой. Градины неоднородны по строению. Иногда в них чередуются прозрачные и мутные слои льда, находятся включения пыли, соломы, насекомых и т.п. Очень крупные градины обычно состоят из смерзшихся мелких градин. Для выпадения ледяной крупы характерна небольшая положительная температура воздуха у поверхности земли, для выпадения града – высокая температура. Обильный или крупный град почти всегда выпадает в грозу и бурю. Выпадение града может дать на земле покров осадка толщиной до 20-30 см (рис. 7.2).

На Беларуси град бывает в период с апреля по октябрь, чаще всего в мае и июне. Он проходит обычно узкими полосами шириной 300–500 м, длиной 2–3 км (бывают случаи, когда ширина достигает 2-3 км, длина – 15 км). Продолжительность выпадения града – от нескольких минут до получаса, чаще всего – 6-7 минут. В среднем ежегодно в каждой точке территории град бывает 1-2 раза, а в отдельные годы – до 5-7 раз. Ледяной дождь – выпадающие из облаков ледяные частицы неправильной или округлой формы, возникающие при обледенении дождя или полурастаявшего мокрого снега. Ледяной дождь возникает, когда на большой высоте над поверхностью земли простирается слой теплого воздуха, в котором тает падающий снег, а непосредственно над земной поверхностью располагается слой воздуха с отрицательной температурой. Ледяной дождь бывает двух видов: замерзший дождь и оледенелый снег.

Замерзший ледяной дождь – мелкие ледяные шарики, выпадающие из облаков, размером 1-3 мм, иногда меньше (редко встречающиеся) и значительно больших размеров – вплоть до 20 мм, имеющие вид нескольких крупных полуслившихся капель. Форма частичек ледяного дождя чаще всего бывает округлой: шар, конус. Льдинки могут состоять из испольных ледяных капелек, и поэтому имеют неправильную форму, матовый вид; лед здесь совершенно аморфен и никаких следов скелетного строения не имеет. Замерзший (ледяной) дождь – явление нередкое.

Оледенелый снег – выпадающие из облаков кусочки льда неправильной формы, еще частично сохранившие форму снежинки. Обычный размер – 1-3 мм. Оледенелые снежинки не имеют неискаженных плоских кристаллических поверхностей; форму снежинки, из которой они произошли в результате оттаивания и последующего замерзания, определить нельзя. В то же время они не являются конгломератом мелких водяных капель, смерзшихся вместе. Оледенелый снег выпадает довольно редко.

Рис. 7.2. Схема образования града

Дождь (рис. 7.3) – жидкие водяные капли, выпадающие из атмосферы на поверхность земли.

Рис. 7.3. Дождевые капли

Для определения размеров дождевых капель в настоящее время применяются оптические и электрические методы. Измерения показали, что радиус дождевых капель изменяется от 0,05 до 3,5 мм. Капли осадков диаметром меньше 0,5 мм называются моросью. В моросящих дождях скорость падения капель – 0,3-2 м/с. В продолжительных, обложных дождях капли крупнее – от 0,5 до 11,5 мм. Более крупные капли выпадают при ливневом кратковременном, но сильном дожде: они имеют радиус 2,0 – 2,5 мм и скорость падения 6 – 9 мм/с. Умеренные дожди образуют за сутки слой осадков 50 – 60 мм, а сильные ливни могут за полчаса излить более 100 мм воды.

Дождь выпадает как из водяных, так и из ледяных облаков. При малых вертикальных скоростях движения воздуха из облаков выпадает моросящий дождь; при значительных (более 2 м/с) мощность облаков бывает не менее 3-4 км (обычно – в тропических широтах при выпадении тропических ливней). Из ледяных облаков осадки выпадают чаще, при этом иногда снег, падающий в

слой воздуха ниже 0 , растаяв, выпадает в виде умеренного дождя. В зависимости от мощности облака и скорости происходящего в нем роста снежинок интенсивность дождя будет разная.

Атмосферные осадки оказывают существенное влияние на состояние автомобильных дорог, организацию работ при их строительстве, ремонте и содержании. Особенно большую роль играют осадки в виде снега – снегопады.

Снегопады классифицируются по различным признакам:

1.С синоптических позиций – снегопады теплого фронта (общий), холодного фронта; внутри неустойчивой массы воздуха (ливневой), внутри устойчивой воздушной массы (моросящий).

2.По состоянию неба – снегопады от водяного облака, от ледяного облака и при чистом

небе.

3.По свойствам частиц снегопада:

1)по величине: мелкий снег (размер снежинок – менее 5 мм); мелкие хлопья (размер хлопьев и круглых кристаллов – 5-15 мм); крупные хлопья (размер хлопьев – более 15 мм);

2)по монолитности: монолитные снежинки; хлопья снега;

3)по объемной плотности: малая (меньше 0,03); средняя (от 0,03 до 0,1); большая (свыше

0,1);

4)по скорости падения снежинок: парение в воздухе (меньше 0,1 м/с); медленное оседание (от 0,1 до 0,3 м/с); умеренная скорость падения (от 0,4 до 0,8 м/с); быстрое падение (свыше

0,8 м/с);

5)по форме частиц снегопада: пластинки, звездочки, столбики, иглы, пушинки,

кристаллы;

6)по влажности: сухие (без признаков воды); влажные (прилипающие к предметам); мокрые (тающие при ударе).

4.По интенсивности – количеству осадков в миллиметрах слоя воды: мелкая (меньше 0,1 мм/ч), средняя (0,1-1 мм/ч), большая (более 1 мм/ч).

5.По приросту высоты снежного покрова: медленный (меньше 2 мм/ч), умеренный (2-20

мм/ч), быстрый (более 20 мм/ч).

6.По видимости в период снегопада: малая (менее 1 км), средняя (1-10 км), большая (больше 10 км).

7.По плотности снегопада: малая (меньше 10 снежинок на 1 м3), средняя (10-100 ед./м3) и большая (более 100 ед./м3).

8.По устойчивости различают снегопад: с устойчивой интенсивностью, с колеблющейся интенсивностью и с переменной интенсивностью.

7.3. Приборы и методы измерения количества осадков

Интенсивность и количество осадков зависят от содержания в них воды, а также от скорости и амплитуды охлаждения воздуха. Выделяются два основных типа осадков:

1.Осадки, выпадающие на обширной территории в результате циклонической деятельности; их можно подразделить на фронтальные, которые формируются, когда теплый воздух поднимается над холодным, и нефронтальные, когда происходит горизонтальная конвергенция, и поднимающийся воздух перетекает в область низкого давления.

2.Осадки, выпадающие на меньшей территории и представляющие собой интенсивные грозовые ливни, при которых более теплый воздух нижних слоев быстро выносится вверх сильными конвективными течениями.

Осадки конвективного типа могут быть одной из стадий циклона; оба типа осадков могут усиливаться за счет дополнительного подъема воздуха над высокими формами рельефа.

Современный инструмент для измерения осадков – автоматический плювиограф, непрерывно регистрирующий в графической форме количество, продолжительность и интенсивность атмосферных осадков. Используются также дождемеры, улавливающие осадки. Там, где снег выпадает нерегулярно и в небольшом количестве, применяются те же приборы, что и для измерения жидких осадков. В горных областях устанавливаются емкости-ловушки, аккумулирующие снег иногда в течение всего холодного сезона. Попадая в емкость, снег тает под воздействием

концентрированного солевого раствора. Количество выпавшего снега измеряется также при помощи снегомерной трубки, которой берут снежный керн, взвешиваемый для определения эквивалентного слоя воды.

Осадкомер Третьякова (рис. 7.4) представляет собой систему, включающую два сменных односборных ведра с общей крышкой, приспособления для установки ведра, планочной защиты и измерительного стакана.

б)

Рис. 7.4. Осадкомер Третьякова:

а– общий вид; б – схема устройства; 1 – приемник осадков; 2 – конусообразная диафрагма; 3

–воронка; 4 – носок для слива воды; 5 – крышка

На метеорологической площадке осадкомер устанавливается с таким расчетом, чтобы верхний срез приемного ведра находился на высоте 2 м над поверхностью земли (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Установка осадкомера на метеорологической площадке

Место установки осадкомера должно быть достаточно открытым и, вместе с тем, защищенным со всех сторон деревьями или строениями. От окружающих предметов осадкомер должен находиться на расстоянии не менее трехкратной высоты.

Измерение количества осадков проводится 4 раза за сутки, а по результатам определяется суточное количество. В момент наблюдения наблюдатель приносит на метеоплощадку пустое ведро, закрытое крышкой, и заменяет установленное в осадкомере. Ведро с осадками закрывается крышкой и переносится на станцию, где его содержимое (твердые осадки – после их растаивания) переливается в мерный цилиндр, цена деления которого равна 2 см3 (рис. 7.6).

Количество осадков при этом определяется по формуле

Рис. 7.6. Измерительный V

Если объем воды в мерном цилиндре меньше одного деления, считается, что количество осадков равно нулю. Если количество осадков превышает объем мерного цилиндра, измерения проводятся по частям, а результаты суммируются.

С целью повышения точности измерений вводятся поправки: для твердых осадков при их количестве более 0,5 мм поправка составляет +0,1 мм; для жидких осадков, которых выпало менее

0,5 мм, – (+0,1) мм; более 0,5 мм – (+0,2) мм.

Суммарный осадкомер (рис. 7.7) предназначен для измерения осадков в малонаселенных и труднодоступных местах.

Прибор позволяет измерять сумму осадков за год. Осадки попадают в емкость через приемник. В верхней части емкости имеется приспособление для измерения их количества. Для предупреждения испарения осадков в осадкомер заливается минеральное масло, которое всплывает на поверхность воды. Количество воды измеряется при помощи измерительного стакана. Твердые осадки расплавляются паяльной лампой.

Полевой дождемер (рис. 7.8) представляет собой измерительный стакан с делениями 1 мм для определения объема, заполненного осадками.

Вверху стакана имеется уширенная часть, которая служит приемником осадков. Внутри этой части размещается воронка, в которую стекают осадки, содержащиеся в стакане. Дождемер вместе с защитой устанавливается на деревянном столбе или металлической подставке. Прибор обычно используют в сельскохозяйственных и организационно-строительных целях, а также при проведении некоторых экспериментальных работ. Количество осадков определяется как отношение их объема к площади отверстия в верхней части измерительного стакана.

Плювиограф (рис. 7.9) – прибор, предназначенный для непрерывной записи количества, интенсивности и продолжительности осадков.

Рис. 7.9. Плювиограф:

1 – крышка; 2 – верхняя часть шкафа; 3 – металлический шкаф; 4 – трубка; 5 – приспособление для принудительного слития осадков; 6 – барабан;

7 – перо; 8 – поплавковая камера; 9 – ось вращения часового механизма; 10 – сифон; 11 – емкость для слива осадков

Прибор состоит из приемника, регистрационной системы и металлического шкафа с дверцами. Измерение осадков основано на записи их количества в поплавковой камере при ее последовательном заполнении и принудительном опорожнении.

Запись на ленте самописца затем обрабатывается. На ленте обозначаются начало и конец, количество и продолжительность осадков, их интенсивность.

Плювиограф на метеоплощадке закрепляется на столбе с таким расчетом, чтобы приемная камера была на высоте 2 м от поверхности земли и имела строго горизонтальное положение. На зимний период плювиограф снимается и сохраняется в помещении метеостанции.

Росограф (рис. 7.10) – прибор для записи количества осадков, образующихся на поверхности почвы, растений и предметов в результате конденсации водяных паров, находящихся в воздухе.

Рис. 7.10. Росограф

Прибор состоит из основного приемника, квадратных весов, уравновешивающего груза, малого приемника и регистрирующей части. На одном конце коромысла весов закреплен приемник росы, представляющий собой конусообразную тарелку из винипласта, на другом – уравновешивающий груз. Количество выпавшей росы определяется по отклонению коромысла, с которым соединена стрелка с пером, осуществляющим запись показаний на бумажную ленту барабана, вращающегося при помощи часового механизма.

Для измерения снежных отложений используются снегомерные рейки (рис. 7.11) и весовой снегомер (рис. 7.12).

Рис. 7.11. Снегомерные рейки: а – постоянные; б – переносные

Рис. 7.12. Весовой снегомер:

1 – снегосборник; 2 – масштабная линейка; 3 – крючок для подвешивания цилиндра; 4 – устройство для подвешивания; 5 – подвижный груз

7.4. Атмосферные осадки на территории Республики Беларусь

Беларусь относится к зоне достаточного увлажнения. Годовая сумма атмосферных осадков зависит от рельефа местности и составляет 500-600 мм в низинах и 600-700 мм – на равнинах и возвышенностях. Около 70 % осадков выпадает в теплую пору года (с апреля по октябрь) преимущественно в жидком виде. В осенне-зимний период преобладают обложные и моросящие осадки, в летний – ливневые. Общее количество суток с осадками (0,1 мм и более) – 160-190; значительные осадки наблюдаются реже: 1 мм и более – 100-120 суток, 5 мм и более – 30-40 суток, 10 мм и более – 12 суток. Количество суточных осадков за период наблюдений по отдельным пунктам достигает 80-150 мм. Суммарная продолжительность выпадения осадков – 1000-1400 часов в год. В каждый из осенне-зимних месяцев продолжительность выпадения осадков – в 2,5 раза большая, чем в летний. Общий объем осадков составляет 146 км3.

Максимум осадков (75-80 %) приходится на июнь-август. В среднем за год бывает 159-194 суток с осадками. Атмосферные осадки – важная характеристика климата: они влияют на характер водного режима территории. Количество осадков для некоторых метеостанций приведено в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Атмосферные осадки по материалам наблюдений метеостанций Беларуси